第7章磁场中的磁介质.ppt.ppt

1、1,第7章 磁介质 7.1 磁介质对磁场的影响 7.2 原子的磁矩 7.3 磁介质的磁化 7.4 H的环路定理 7.5 铁磁质 7.6 简单的磁路,2,一、磁介质 二、 磁介质磁化的微观机理 三、磁化电流与磁化强度 四、H的环路定理 五、铁磁质 六、简单的磁路,3,一、磁介质,传导电流产生,与介质有关的电流产生,均匀介质充满磁场的情况下,1.磁介质的定义,2.磁介质对磁场的影响,4,3.磁介质的分类,5,二、 磁介质磁化的微观机理 原子磁矩与分子固有磁矩 电子绕核的轨道运动以及电子的自旋可等效为一个圆电流,顺磁质,抗磁质,= 0,6,一个电子的轨道磁矩,设电子绕原子核运动的速率为v，轨道半径为

2、r，则,其中,所以,又因为电子绕原子核运动的角动量大小为,故一个电子的轨道磁矩为,7,根据量子力学，电子轨道角动量是量子化的，所以,因此,根据量子力学，电子还具有自旋运动，称为内禀（固有）自旋.由自旋产生的磁矩称为内禀（固有）自旋磁矩.计算表明一个电子的内禀（固有）自旋磁矩的大小为,这一磁矩称为玻尔磁子,8,2.磁化的微观解释 1)顺磁性,只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性,方向与 方向相同取向磁化,由于顺磁质的分子固有磁矩不为零,在外磁场的作用下,各分子磁矩都发生转向,9,2)抗磁性,电子轨道磁矩受磁力矩方向垂直纸面向内,轨道角动量绕磁场旋进,电子附加一个与外磁场磁感应强度方向相反的磁矩,(所有

3、介质均具有抗磁性),由分子中电子轨道角动量的旋进（进动）产生,分子中所有电子的附加磁矩的矢量和就是一个分子在外磁场中产生的感生磁矩感应磁化,10,顺磁质,无外磁场时：,有外磁场时：,抗磁质,无外磁场时：,有外磁场时：,磁 介 质,且 与外磁场方向相同,取向磁化和感应磁化同时存在,但以取向磁化为主.,且 与外磁场方向相反, 只有感应磁化.,11,三、磁化强度和磁化电流 由于分子磁矩的取向一致 考虑到它们相对应的 分子电流 如 长直螺线管内部充满均匀的各向同性介质将被均匀磁化,12,1.磁化强度,2.磁化强度与磁化电流的关系,极化强度,对比电介质,13,推导：,S,则套住 dl 的分子电流：,设分

4、子浓度为 n，,14,介质表面磁化电流(线)密度：,选,磁化面电流（线）密度,15,3. 磁化规律 各向同性磁介质(顺磁质或抗磁质),介质的磁导率,各向同性电介质,介质的介电常数,16,考虑到磁介质中还存在磁化电流，所以对于磁介质，（1）式则需加以修正，等号右边的I内应该包括传导电流和磁化电流.,四、 的环路定理,1. 的环路定理,17,设：I0 传导电流,I 磁化电流,I,定义,18,得：,H 的单位：,真空：,A/m （ SI ）；,的环路定理,19,各向同性磁介质,因,则有,将,代入,得,各向同性电介质,又得,20,思路,1）有介质时磁场的性质方程,3）在解场方面的应用 在具有很好对称性

5、的情况下 可以首先由 的环路定理解出,2） 是由传导电流和磁化电流共同产生的，不能认为 只与传导电流有关,21,例1,介质中闭合回路L所套连的磁化电流为：,证：,L任取 且可无限缩小,故 I0 = 0 处 I = 0,无传导电流处 也无磁化电流,证明在各向同性均匀磁介质内,3. 环路定理的应用举例,22,例2 一充满均匀磁介质的密绕细螺绕环，,求：磁介质内的,解：,取回路如图，设总匝数为N,23,代入数据,24,讨论：设想把这些磁化面电流也分成每米103匝，相当于分到每匝有多少？,2(A),充满铁磁质后,25,例3 一充满相对磁导率为r的均匀磁介质的密绕无限长螺线管，单位长度的匝数为n，当线圈

6、内通以电流I时，求螺线管内的磁感应强度和磁介质表面的面束缚电流密度.,作一环路abcda,如图所示,那么,26,即有,于是,管内的磁感应强度为,磁介质中的磁化强度为,27,讨论:对于抗磁质,r1, j0,这表明束缚电流的方向和传导电流的方向相同;对于铁磁质,r1, jnI,这表明束缚电流的方向和传导电流的方向相同且比传导电流面密度nI大得多,可以认为这时的磁场基本上是由铁磁质表面的束缚电流产生的.,28,五、 铁磁质,(1) r 1 可使磁场大幅度增加,(2) r不是常数，与磁化历史有关,装置,1.铁磁质的宏观性质,(3) B与H 的关系为非线性关系，与磁化历史有关,29,2. 磁滞现象,-

7、剩磁,- 矫顽力,30,3.磁滞损耗,在交变电磁场中 ,铁磁质的反复磁化 将引起介质的发热 , 称为磁滞损耗.,实验和理论都可以证明:磁滞损耗和磁 滞回线所包围的面积成正比 .,31,4.磁性材料及应用,(1)软磁材料,特点：磁导率大 矫顽力小 容易磁化 也容易退磁 磁滞回线包围面积小 磁滞损 耗小,32,特点：剩余磁感应强度大 矫顽力大 不 容易磁化 也不容易退磁 磁滞回线宽 磁 滞损耗大,(2)硬磁材料,应用：作永久磁铁 永磁喇叭,33,应用：作计算机中的记忆元件 磁化时极 性的反转构成了“0”与“1”,(3)矩磁材料：,特点：磁滞回线呈矩形状,5. 居里温度,6.铁磁性起因 磁畴-电子的

8、自旋磁矩可以不靠磁场而取得一致的方向.在铁磁体内存在无数个线度约为10-4m的小区域,这些小区域叫磁畴.在每个磁畴中,所有原子的磁矩都方向一致地整齐排列着.各种材料磁畴的线度相差较大.一个磁畴中约有1012 - 1015个原子.,居里点,顺磁质,铁 767 0C,镍 357 0C,35,磁畴,36,37,单晶磁畴结构 示意图,多晶磁畴结构 示意图,38,铁磁质在不断增大的外磁场作用下,其磁矩方向和外磁场方向接近的磁畴逐渐扩大,而方向相反的磁畴逐渐缩小.最后当外磁场增大到一定程度后,所有磁畴的磁矩方向也都指向同一个方向了.这时铁磁质就达到磁饱和的状态.,39,六、简单磁路,如图,铁心的长度为l,

9、横截面积为S,气隙的宽度为,铁心上绕有N匝线圈,通过线圈的电流为I,铁心的相对磁导率为r,那么铁心气隙中的磁感应强度B是多少?,40,据安培环路定理,有,于是,由于,所以,由此得,41,因为=BS,所以,类比电路公式,作如下类比,其中,叫磁流(磁通),NI叫磁动势,Rm叫磁阻,Um叫磁压.,42,闭合磁路欧姆定律,磁阻串联公式:,磁阻并联公式:,并联磁路一例:,第9章结束,43,1.磁场的界面关系 静磁屏蔽,由,设界面无传导电流，,由,附录：,44,在1很大的介质1中， 线几乎平行界面，,这就是铁磁质中 线沿铁芯延续的情形,45,静磁屏蔽,计算表明：,t = 1cm时，k = 0.5% .,屏蔽系数,若,精密探头、显象管都需要磁屏蔽,46,2.磁致伸缩, 磁致伸缩,长度相对改变约10-5量级,温下可达10 -1,某些材料在低,磁致伸缩有一定固有频率,化频率和固有频率一致时 发生共振,当外磁场变,可用于制作激振器、超声波发生器等,47,根据现代理论，铁磁质相邻原子的 电子之间存在很强的“交换耦合作用” 使得在无外磁场作用时 电子自旋磁矩 能在小区域内自发地平行排列 形成自 发磁化达到饱和状态的微小区域 这些 区域